【摘 要】
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随着第五代（Fifth Generation,5G）移动通信技术的快速发展,对于信息的高传输速率和低延时性能要求也越来越高。同时1G-4G移动通信发展占用了较多的低频段频谱资源,造成低频段拥挤,5G移动通信发展逐渐具有高频化的特点。因此具有极宽频谱资源的毫米波频段引起越来越多研究学者的关注,具有广阔的应用前景。同时,由于5G移动通信的高频率、宽频带,所需的PCB结构越来越精密和复杂,多层PCB结构
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随着第五代（Fifth Generation,5G）移动通信技术的快速发展,对于信息的高传输速率和低延时性能要求也越来越高。同时1G-4G移动通信发展占用了较多的低频段频谱资源,造成低频段拥挤,5G移动通信发展逐渐具有高频化的特点。因此具有极宽频谱资源的毫米波频段引起越来越多研究学者的关注,具有广阔的应用前景。同时,由于5G移动通信的高频率、宽频带,所需的PCB结构越来越精密和复杂,多层PCB结构天线也越来越受重视。毫米波在大雾,雨天等恶劣环境中传输时功率会产生较大损耗,因此设计高增益毫米波天线也是5G移动通信发展方向之一。本论文针对毫米波天线的宽带化、小型化以及高增益展开学术研究。本文研究工作分为以下两个两部分:1.设计了一款基于多层PCB结构的5G毫米波双极化天线。该天线由七层Rogers介质基板、带有切角的矩形贴片、堆叠的扇形贴片、金属接地板和两个差分馈电网络五部分组成。多层PCB介质基板在保证天线性能实现的同时,实现了天线小型化。带有切角的矩形贴片工作时产生一个工作于24.25-27.5 GHz频段内的谐振点,堆叠的扇形贴片工作时产生另外一个工作于24.25-27.5 GHz频段内的谐振点,两个谐振点结合实现了该毫米波天线单元的工作带宽为24.25-27.5 GHz（相对带宽为12.6%）,实现了宽带化。加载两个差分馈电网络实现了高端口隔离度。实物测量结果表明设计的毫米波双极化天线在24.25-27.5GHz频段内回波损耗S11＜-15 d B,端口隔离度S12＜-37 d B,带内增益Gain＞5.7 d Bi,带内增益波动为1.1 d B,半功率波束宽度为74°±4°。天线尺寸仅为0.60×0.60×0.105~3（为中心频段25.875 GHz对应的波长）。该毫米波天线具有低剖面、宽带宽、稳定的辐射方向图和高隔离度等特点,适用于未来的5G毫米波通信系统。2.设计了一款4×4毫米波天线阵列,阵列阵元为设计完成的毫米波双极化天线单元。首先解决阵列阵元间馈电端口间互耦问题,提出了两种改善端口间互耦的隔离结构。第一种隔离结构为基于SIW原理设计的圆柱结构,该隔离结构可以防止功率向上传输的过程中泄漏到中间介质层进而耦合到相邻的阵元,造成端口耦合度的降低。该隔离结构实现了端口隔离度5 d B的下降。第二种隔离结构为矩形EBG结构,该结构由矩形金属条、金属接地板和连接二者的圆柱构成,端口隔离度在整个工作带宽内实现了2 d B的降低。对比二者对端口隔离度的改善情况,最后采用了第一种隔离结构。然后结合差分馈电网络和功分器设计了该毫米波阵列的馈电网络。阵列测试结果表明在24.25-27.5 GHz频段内回波损耗S11＜-15 d B,端口隔离度S12＜-22 d B,增益Gain＞16.98 d Bi。
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